本发明属于二维精密转台伺服运动控制领域，涉及一种负载偏心下二维转台高精度伺服运动控制问题，具体涉及一种负载偏心下二维转台俯仰运动的高精度伺服控制系统及方法。
背景技术：
在航空、平流层飞艇等飞行器上，由于安装空间受限，其上搭载的二维高精度转台常常出现俯仰轴上负载无法配平，有较大偏心的情况(如图5所示)，需要设计相应的控制策略，减少偏心导致的非线性扰动力矩。
国内外对负载偏心下二维转台俯仰运动控制研究文献与专利较少，而多自由度机械臂的末端关节也无法进行配重，其抓举、搬运也会具有负载偏心的相似特点。但是多自由度机械臂与二维转台的控制系统上还是有所差异，多自由度机械臂可以利用自身运动来实现自身平衡，而二维转台无法采用此策略。
多自由度机械臂的末端关节控制与抓举等伺服控制策略，由于多关节联合协同运动，运动学与动力学均复杂，只能默认力矩变化为未知，需进行偏心力矩辨识后应用现代控制理论进行补偿。而二维转台的负载偏心位置不变，其控制策略可以进行简化。
本发明根据工程实践，设计了一种负载偏心下二维转台俯仰运动的高精度伺服控制系统与方法，不仅适用于地面无法配平的经纬仪，也适用于航空、航天类似负载偏心下二维转动机构的控制。
技术实现要素：
为了减小非线性干扰力矩对二维高精度转台精度的影响，本发明提供了一种负载偏心下二维转台俯仰运动的高精度伺服控制系统及方法。
本发明的技术方案是：
负载偏心下二维转台俯仰运动的高精度伺服控制系统，包括位置环控制器、速度环控制器、d/a转换器、电流环控制器、pwm逆变器、电机电流信息采集与处理单元、高精度角度传感器和角速度运算器；
其特殊之处在于：
还包括偏心力矩运算器和加法器；
偏心力矩运算器包括偏心重力力矩对应电流值计算单元、偏心重力力矩对应电流值正负判断单元和当量转换单元；
偏心重力力矩对应电流值计算单元用于接收来自所述高精度角度传感器的俯仰轴负载绕ox轴的实时转动角度θi，并依据公式mgρcos(θ0 θi)计算偏心负载引发的偏心重力力矩值，以及依据公式mgρcos(θ0 θi)/kt计算为了补偿偏心重力力矩值，对应俯仰轴电机所需输出电流值，即为偏心重力力矩对应电流值；
偏心重力力矩对应电流值正负判断单元用于接收来自所述高精度角度传感器的实时转动角度θi经角速度运算器处理输出的的实时转动角速度
所述当量转换单元用于依据所述d/a转换器的单位数字量与所述俯仰轴电机输出力矩、俯仰轴电机电流的当量关系将带±符号的偏心重力力矩对应电流值转换为数字控制量dt输出给所述加法器；
所述加法器用于将所述数字控制量dt与所述速度环控制器输出的电流控制量dk相加，将相加结果输出给所述d/a转换器。
本发明还提供了一种基于上述负载偏心下二维转台俯仰运动的高精度伺服控制系统的高精度伺服控制方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)数据准备
称重确认偏心负载的总质量m；根据俯仰轴电机出厂测试报告获取俯仰轴电机力矩系数kt；根据轴承及润滑情况，参照电机转子手册与转轴设计参数，估算力矩td；力矩td为轴系摩擦力矩与电机转子、转轴转动的驱动力矩的总和；
2)在俯仰轴上装配偏心负载；
3)求解偏心负载的偏心位置
3.1)向俯仰运动的伺服控制系统输入角度定位指令θ，θ为俯仰轴上负载绕ox轴的转动角度，是定值，则有ρcos(θ0 θ)＝(kt*i-td)/mg；
3.2)向3.1)中的公式输入两个以上不同的θ得到不同的俯仰轴电机电流i，联立为矛盾方程组，求解出偏心负载的偏心位置(ρ，θ0)的极小最小二乘解；
4)获取偏心重力力矩对应电流值的数字控制量dt
4.1)将俯仰轴负载绕ox轴的实时转动角度θi与对实时转动角度θi处理得到的实时转动角速度
4.2)根据公式mgρcos(θ0 θ)计算偏心负载引发的偏心重力力矩值，根据公式mgρcos(θ0 θ)/kt计算偏心重力力矩对应电流值；
4.3)根据实时转动角速度
4.4)当量转换
依据d/a转换器的单位数字量与俯仰轴电机输出力矩、俯仰轴电机电流的当量关系将带±符号的偏心重力力矩对应电流值转换为数字控制量dt输出；
5)三闭环参数指标精度调试。
进一步地，所述步骤5)具体为：将步骤4)得到的数字控制量dt与速度环控制器输出的电流控制量dk相加，将相加结果最终输出给d/a转换器，d/a转换器将数字量转换为模拟电流控制量i输出；模拟电流控制量i与俯仰电机电流采集与处理单元输出的电流采集模拟量，相减输出给电流环控制器，构成电流闭环控制，最终构成三闭环系统，实现负载偏心下偏心力矩实时精确补偿的功能。
本发明的优点是：
1.本发明通过进行力矩补偿，达到消除偏心重力力矩，实现负载偏心下二维转台俯仰运动的高精度高平稳控制。
2.本发明为一些特殊场合，例如无法配平而又要求有高精度高平稳跟踪的场合，提供了简单易行的控制方法。
附图说明
图1是现有常用的位置环、速度环、电流环三闭环组成的伺服控制系统的原理示意图。
图2是本发明负载偏心下二维转台俯仰运动的高精度伺服控制系统的原理示意图。
图3是本发明中偏心力矩运算器的原理框图。
图4是本发明负载偏心下二维转台俯仰运动的高精度伺服控制方法的流程图。图5是俯仰轴上负载严重偏心的二维高精度转台的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
1.本发明的发明构思及原理
二维转台俯仰轴上负载偏心时，由于转台转动速度较低，可看作刚性负载，建立基座坐标系oxyz(见附图5所示)，俯仰轴上负荷绕ox轴旋转，俯仰轴上负载总质量m的质心位置在yoz平面上(ρ，θ0)点，根据动量矩定理可得：
其中：
jx为偏心负载对俯仰轴ox的转动惯量，jx＝j0 mρ2，j0为偏心负载对通过质心(ρ，θ0)点且平行于ox轴的转动惯量；
θ0为俯仰轴负载质心点在基座坐标系oxyz下的偏心角度；
ρ为俯仰轴负载质心点在基座坐标系oxyz下的偏心距，见附图5；
θ为俯仰轴负载绕ox轴的转动角度，规定向上为正；
te为俯仰轴电机电磁驱动力矩，te＝kt*i,其中，kt为俯仰轴电机力矩系数(单位nm/a)，i为俯仰轴电机电流(单位a)；
td为轴系摩擦力矩与电机转子、转轴转动的驱动力矩的总和。(高精度二维转台均采取分离式电机与空心轴结构，所以电机转子、转轴转动的驱动力矩非常小)；
m为偏心负载的总质量；
g为重力加速度；从公式(1)可以看出，俯仰轴电机所受的干扰力矩除了td(量级偏小，可近似为定值或随速度线性变化的小量)，主要来自偏心负载产生的偏心重力力矩mgρcos(θ0 θ)，其大小正比于偏心位置，与俯仰轴上负载绕ox轴的转动角度θ相关，呈现余弦特性，具有非线性，但具有规律性。
本发明就依据负载偏心产生的偏心重力力矩具有余弦特性，进行力矩补偿，达到消除偏心重力力矩，实现负载偏心下二维转台俯仰运动的高精度高平稳控制。
2.本发明高精度伺服控制系统的组成
如图1所示，为现有常用的主要由位置环、速度环、电流环三闭环组成的伺服控制系统，该伺服控制系统包括位置环控制器、速度环控制器、d/a转换器、电流环控制器、pwm逆变器、电机电流信息采集与处理单元、俯仰轴电机、偏心负载、高精度角度传感器和角速度运算器。
位置环控制器用于实现给定角度的快速、精确闭环响应；
速度环控制器用于实现给定速度信息的快速、精确闭环响应；
d/a转换器用于数字量向模拟量的转换；
电流环控制器用于实现给定电流信息的快速、精确闭环响应；
pwm逆变器用于实现俯仰轴电机的驱动控制；
俯仰轴电机用于提供偏心负载转动的动力；
电机电流信息采集与处理单元用于俯仰轴电机电流的采集、滤波、整形等信号处理；
高精度角度传感器与俯仰轴电机同轴设置，用于实时采集俯仰轴的角度信息；
角速度运算器用于从高精度角度传感器提供的角度信息中提取角速度信息，并进行滤波、整形等信号处理。
如图2所示，本发明所提供的负载偏心下二维转台俯仰运动的高精度伺服控制系统，采取在图1所示常用的位置环、速度环、电流环三闭环组成的伺服控制系统基础上，添加一个偏心力矩运算器和一个加法器，利用偏心力矩运算器计算随实时转动角度θi不断变化的偏心重力力矩的实时补偿量，实现负载偏心下二维转台俯仰运动的高精度控制。
如图2、3所示，偏心力矩运算器接收来自高精度角度传感器的俯仰轴上负载绕ox轴的实时转动角度θi与对来自高精度角度传感器角度信息处理后得到的实时转动角速度
加法器将所述数字控制量dt与速度环控制器输出的电流控制量dk相加，将相加结果输出给d/a转换器转换成模拟电流控制量i输出。模拟电流控制量i与俯仰电机电流采集与处理单元输出的电流采集模拟量，相减输出给电流环控制器，构成电流闭环控制。最终构成三闭环系统，实现负载偏心下偏心力矩实时精确补偿的功能。
3.本发明高精度伺服控制方法的流程
如图4所示，基于本发明搭建的如图2所示的伺服控制系统，对负载偏心下二维转台俯仰运动的高精度伺服控制方法的流程如下：
1)数据准备
装配偏心负载前，需称重确认偏心负载的总质量m；根据俯仰轴电机出厂测试报告确认俯仰轴电机力矩系数kt；根据轴承及润滑情况，参照电机转子手册与转轴设计参数，估算力矩td。
2)在俯仰轴上装配偏心负载
3)求解偏心负载的偏心位置
3.1)在俯仰轴上装配偏心负载后，向俯仰运动伺服控制系统输入角度定位指令θ：θ为俯仰轴负载绕ox轴的转动角度，是定值。则公式(1)中
ρcos(θ0 θ)＝(kt*i-td)/mg(2)
3.2)公式(2)中，可以通过输入两个以上不同的θ得到不同的俯仰轴电机电流i，联立为矛盾方程组，求解出偏心负载的偏心位置(ρ，θ0)的极小最小二乘解(最佳逼近解)。
4)获取偏心重力力矩对应电流值的数字控制量
4.1)将来自高精度角度传感器的俯仰轴负载绕ox轴的实时转动角度θi与对实时转动角度θi处理得到的实时转动角速度
4.2)根据公式mgρcos(θ0 θ)计算偏心负载引发的偏心重力力矩值，根据公式mgρcos(θ0 θ)/kt计算为了补偿偏心重力力矩值，对应俯仰轴电机所需输出电流值，简称为偏心重力力矩对应电流值；
4.3)根据实时转动角速度
4.4)当量转换
依据d/a转换器的单位数字量与俯仰轴电机输出力矩、俯仰轴电机电流的当量关系将带±符号的偏心重力力矩对应电流值转换为数字控制量dt输出；
5)三闭环参数指标精度调试
加法器将步骤4)得到的数字控制量dt与速度环控制器输出的电流控制量dk相加，将相加结果最终输出给d/a转换器，d/a转换器将数字量转换为模拟电流控制量i输出。模拟电流控制量i与俯仰电机电流采集与处理单元输出的电流采集模拟量，相减输出给电流环控制器，构成电流闭环控制。最终构成三闭环系统，实现负载偏心下偏心力矩实时精确补偿的功能。
按照运动控制系统三闭环：位置环、速度环、电流环的参数常规调试方法(如临界比例法、扩充临界比例法)调试，只到满足俯仰运动控制系统指标精度为止。
1.负载偏心下二维转台俯仰运动的高精度伺服控制系统，包括位置环控制器、速度环控制器、d/a转换器、电流环控制器、pwm逆变器、电机电流信息采集与处理单元、高精度角度传感器和角速度运算器；
其特征在于：
还包括偏心力矩运算器和加法器；
偏心力矩运算器包括偏心重力力矩对应电流值计算单元、偏心重力力矩对应电流值正负判断单元和当量转换单元；
偏心重力力矩对应电流值计算单元用于接收来自所述高精度角度传感器的俯仰轴负载绕ox轴的实时转动角度θi，并依据公式mgρcos(θ0 θi)计算偏心负载引发的偏心重力力矩值，以及依据公式mgρcos(θ0 θi)/kt计算为了补偿偏心重力力矩值，对应俯仰轴电机所需输出电流值，即为偏心重力力矩对应电流值；
偏心重力力矩对应电流值正负判断单元用于接收来自所述高精度角度传感器的实时转动角度θi经角速度运算器处理输出的的实时转动角速度
所述当量转换单元用于依据所述d/a转换器的单位数字量与所述俯仰轴电机输出力矩、俯仰轴电机电流的当量关系将带±符号的偏心重力力矩对应电流值转换为数字控制量dt输出给所述加法器；
所述加法器用于将所述数字控制量dt与所述速度环控制器输出的电流控制量dk相加，将相加结果输出给所述d/a转换器。
2.基于权利要求1所述负载偏心下二维转台俯仰运动的高精度伺服控制系统的高精度伺服控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)数据准备
称重确认偏心负载的总质量m；根据俯仰轴电机出厂测试报告获取俯仰轴电机力矩系数kt；根据轴承及润滑情况，参照电机转子手册与转轴设计参数，估算力矩td；力矩td为轴系摩擦力矩与电机转子、转轴转动的驱动力矩的总和；
2)在俯仰轴上装配偏心负载；
3)求解偏心负载的偏心位置
3.1)向俯仰运动的伺服控制系统输入角度定位指令θ，θ为俯仰轴上负载绕ox轴的转动角度，是定值，则有ρcos(θ0 θ)＝(kt*i-td)/mg；
3.2)向3.1)中的公式输入两个以上不同的θ得到不同的俯仰轴电机电流i，联立为矛盾方程组，求解出偏心负载的偏心位置(ρ，θ0)的极小最小二乘解；
4)获取偏心重力力矩对应电流值的数字控制量dt
4.1)将俯仰轴负载绕ox轴的实时转动角度θi与对实时转动角度θi处理得到的实时转动角速度
4.2)根据公式mgρcos(θ0 θ)计算偏心负载引发的偏心重力力矩值，根据公式mgρcos(θ0 θ)/kt计算偏心重力力矩对应电流值；
4.3)根据实时转动角速度
4.4)当量转换
依据d/a转换器的单位数字量与俯仰轴电机输出力矩、俯仰轴电机电流的当量关系将带±符号的偏心重力力矩对应电流值转换为数字控制量dt输出；
5)三闭环参数指标精度调试。
3.根据权利要求2所述的高精度伺服控制方法，其特征在于：所述步骤5)具体为：将步骤4)得到的数字控制量dt与速度环控制器输出的电流控制量dk相加，将相加结果最终输出给d/a转换器，d/a转换器将数字量转换为模拟电流控制量i输出；模拟电流控制量i与俯仰电机电流采集与处理单元输出的电流采集模拟量，相减输出给电流环控制器，构成电流闭环控制，最终构成三闭环系统，实现负载偏心下偏心力矩实时精确补偿的功能。
技术总结